零点运动是量子力学中极具神秘色彩的现象,长期以来被理论预言却难以被直接观测。近日,德国法兰克福歌德大学的科学家团队实现了一项被认为此前不可能完成的成就:直接测量处于最低量子能态分子中原子的零点运动。这一发现不仅验证了量子力学的核心理论,也为我们深入理解物质在极低能量状态下的行为开辟了新视角。 在经典物理学中,温度接近绝对零度时,分子应当处于完全静止状态,原子也不会有任何运动。但量子力学挑战了这一传统认知,提出即便在最低能量状态下,原子仍然存在内在的波动和运动,这种运动被称为零点运动。零点运动源自于零点能,即量子系统即使处在基态,仍然拥有无法消除的最低能量。
尽管理论上已被广泛认可,但由于技术限制和量子不确定性原理的阻碍,科学界一直未能直接测量这一现象。 量子不确定性原理指出,无法同时精确测定粒子的位置信息和运动速度,这给观测原子运动带来极大挑战。为突破这一难题,法兰克福团队选用了复杂分子碘吡啶作为实验对象,该分子含有11个原子并拥有27种振动模式,复杂的结构使得测量更为困难,但也更具代表性。 为了实现超高精度的观测,科学家们利用了欧洲最强大的X射线激光设施 - - 位于德国汉堡的欧洲X射线自由电子激光(European XFEL)。通过高能量、高强度的超短X射线脉冲,科学家对碘吡啶样品实施了一种被称为库仑轰炸成像的新颖技术。高能X射线脉冲导致分子内电子被迅速剥离,使原子带正电荷后相互排斥并急速分离。
这种瞬间爆炸发生在不到一万亿分之一秒的时间尺度内,极短的过程为科学家们捕捉原子的位置和时间信息创造了条件。利用特殊的探测设备,团队精确测定了原子离开后的撞击时间与空间位置,进而还原分子的原始结构。通过分析还原后的数据,科学家们首次直接捕捉到原子零点运动的"舞蹈轨迹",清晰展现了原子之间的协同振动模式。 令人惊讶的是,原子并非独立运动,而是以耦合的方式协同振动,呈现出固定的振动模式和节律,这为理解分子动力学提供了新思路。歌德大学核物理研究所的Till Jahnke教授表示,这种协同振动模式首次被直接观测证实,极大推动了量子动力学领域的研究进展。 此次研究的突破还得益于科学家们对存储多年的实验数据的深度挖掘。
值得一提的是,零点运动的观测利用的是2019年欧洲XFEL为另一个实验而采集的数据。团队在几年后重新分析时才意识到其中存在至关重要的物理现象,展现了科学研究中数据再利用和跨学科合作的重要性。 协助该研究的工程师Gregor Kastirke设计并制造了针对欧洲XFEL定制的COLTRIMS反应显微镜,这一高精度装置关键捕获了粒子爆炸的细节。科学家们表示,正是多年团队合作和技术积累,才能在此次研究中实现对量子现象的精确成像。 为了提升数据分析的深度和准确性,研究团队还与德国汉堡自由电子激光科学中心的专家合作,研发了创新的分析方法。这些新方法极大丰富了研究的维度,将观测数据转化为具有物理意义的运动图像,从而实现对量子涨落和振动模式的全新理解。
未来,研究团队计划进一步完善现有的成像技术,不仅要捕捉原子的运动,更希望拍摄电子"舞蹈"的瞬间。电子运动速度远快于原子,其运动受原子位置的影响,对揭示分子内部复杂的动力学机制具有重要意义。科学家们期待借助改进的设备实现连续拍摄,制作分子过程的"动态短片",推动分子科学从静态到动态的革命。 零点运动及其能量是量子物理最根本的特性之一,其测量的成功不仅验证了理论,还为量子材料、化学反应动力学以及纳米技术等领域的研究提供了新的实验手段。这一进展或将引领新一代技术的发展,例如高精度传感器、量子计算机和纳米制造技术。 总的来说,歌德大学团队借助欧洲XFEL大规模协作和创新技术实现了对零点运动的首次直接成像,这一成果不仅揭示了量子世界深层次的规律,也为理解和控制分子层面现象开辟了新路径。
未来,当科学家能够将电子和原子的"舞蹈"完整记录下来,我们对宇宙微观结构的认识将迈入崭新的高度。 。
